JP2010148278A - 過電圧保護機能付き電源回路、電源装置、画像形成装置および過電圧保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】故障等の発生時において、出力過電圧の発生を抑えて電源装置を安全に停止させる。
【解決手段】出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出された場合に出力を停止させる制御手段とを備えた過電圧保護機能付き電源回路において、さらに、電圧検出手段による検出電圧よりも高い出力電圧を検出する第２電圧検出手段を備え、制御手段は、電圧検出手段における検出電圧よりも高い出力電圧状態となった場合に、第２電圧検出手段により該制御手段が有する保護機能端子とは異なる端子を用いて擬似帰還をかけて第２電圧検出手段における検出電圧で出力電圧をクランプし、出力を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電圧保護機能付き電源回路、電源装置、画像形成装置および過電圧保護方法に関する。

多くの電源装置には、部品の破損、劣化などにより、出力電圧が規定値以上に上昇するのを防止し、出力端子に接続される負荷に過大な電圧が印加されないようにするための過電圧保護（over voltage protection）機能が搭載されている。

過電圧保護機能を実現する電源回路として、ツェナーダイオードにより過電圧を検出して１次側へ帰還して１次側制御部をラッチアップし、動作を停止させる方法や、ツェナーダイオ−ドによる検出後に２次側回路を短絡することにより１次側制御部をラッチアップし、動作を停止させる方法が知られている。

例えば、特許文献１には、過電圧設定電圧を超過する出力電圧が出ることを防止するため、保護停止を行う回路の設定電圧より少し高い第２の設定電圧以上に電圧が上がらないようトランスの２次側出力端間をＦＥＴ（MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）で短絡して、負荷を増大させてクランプし、その間に過電圧保護停止を行う回路を動作させる安定化電源における過電圧保護回路が開示されている。

特開２００２−１３５９６８号公報

従来の過電圧保護機能については、外部から印加する電圧を徐々に上げていき、停止する電圧を観測すること、又は、出力電圧監視回路の一部をボリューム抵抗などで変化させて徐々に電圧を上げていき、停止する電圧を観測すること等の試験を行うことにより過電圧保護機能が要求される仕様範囲を満足するか否かを確認することが、電源業界一般の認識となっている。

しかしながら、これらの回路はＡＣラインノイズ、落雷、イミュニティといった外部ノイズによる誤動作を防ぐため、フィルタによるノイズ対策がなされており、出力電圧検出から電源停止に至るまでに数十ｍｓ程度の遅延時間が存在する。

ここで、電源装置において出力電圧を安定させるための帰還回路の一部が故障（部品の短絡、開放、はんだ不良等）することにより発生する過電圧は、前述の試験方法で想定される過電圧上昇率よりも遥かに大きいため、電源が停止するまでに到達する出力電圧は、過電圧検出部におけるツェナー電圧を大きく超えるものになるという問題があった。尚、この状態で起きる出力過電圧の最高到達点は出力端子に接続されている負荷が軽いほど高くなる。

また、特許文献１に記載の技術においては、帰還系開放時のような過電圧発生時には、トランスの２次側を短絡させるＦＥＴに大きなストレスがかかるという問題があった。

上記問題は電源設計者に認識されているが、過電圧保護機能の対象範囲外という認識がされているのが現状である。尚、近年ではＰＬ法を考慮して、２ｐｏｉｎｔ−ｆａｉｌｕｒｅ ｔｅｓｔにより、過電圧保護回路の故障を想定し、過電圧保護機能を削除した状態で出力過電圧保護試験を実施し、発火や発煙がないことを確認しているが、このときには、当然想定以上の過電圧が発生している。

そこで本発明は、電源装置の出力電圧安定化回路の一部が故障した際に起きる上昇率が高く、到達点の大きな出力過電圧の発生を抑え、電源装置を安全停止することができる過電圧保護機能付き電源回路、電源装置、画像形成装置および過電圧保護方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１に記載の過電圧保護機能付き電源回路は、出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出された場合に出力を停止させる制御手段とを備えた過電圧保護機能付き電源回路において、さらに、電圧検出手段による検出電圧よりも高い出力電圧を検出する第２電圧検出手段を備え、制御手段は、電圧検出手段における検出電圧よりも高い出力電圧状態となった場合に、第２電圧検出手段により該制御手段が有する保護機能端子とは異なる端子を用いて擬似帰還をかけて第２電圧検出手段における検出電圧で出力電圧をクランプし、出力を停止させるものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の過電圧保護機能付き電源回路において、電圧検出手段及び第２電圧検出手段は、ツェナーダイオードであるものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の過電圧保護機能付き電源回路において、保護機能端子とは異なる端子は、接地端子と短絡させることにより、制御手段が発振を停止し、接地端子との短絡を開放させることにより、制御手段が正常動作に戻る機能を有する端子であるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の過電圧保護機能付き電源回路において、端子は、基準電圧端子、ソフトスタート端子、出力端子のいずれかの端子であるものである。

また、請求項５に記載の電源装置は、請求項１から４までのいずれかに記載の過電圧保護機能付き電源回路を有するものである。

また、請求項６に記載の画像形成装置は、請求項５に記載の電源装置を備えたものである。

また、請求項７に記載の電源回路における過電圧保護方法は、出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出された場合に出力を停止させる制御手段とを備えた電源回路における過電圧保護方法であって、電源回路は、電圧検出手段による検出電圧よりも高い出力電圧を検出する第２電圧検出手段を備えており、制御手段は、電圧検出手段における検出電圧よりも高い出力電圧状態となった場合に、第２電圧検出手段により制御手段が有する保護機能端子とは異なる端子を用いて擬似帰還をかけて第２電圧検出手段における検出電圧で出力電圧をクランプし、出力を停止させるようにしている。

本発明によれば、電源装置の出力電圧安定化回路の一部が故障した際に起きる上昇率が高く、到達点の大きな出力過電圧の発生を抑え、電源装置を安全停止させることができる。

以下、本発明に係る構成を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明に係る構成と従来構成との構成の差違を明確にするため、先ず、従来構成について説明する。図４に、従来の電源装置に用いられる一般的な過電圧保護機能付き電源回路の回路図の一例を示す。また、図５に、図４に示す過電圧保護機能付き電源回路のブロック図を示す。

過電圧保護機能付き電源回路は、図５に示すように、整流・平滑部１０、トランス２０、停止保護回路３０、制御部４０、電圧検出部５０及び過電圧検出部６０からなる。以下、図４を用いて当該回路の詳細を説明する。

図４に示すように、スイッチング（ＳＷ）電源は、帰還制御により出力電圧を安定させている。即ち、入力電圧をＶｉｎ、出力電圧をＶｏ、トランスＴ１（トランス２０）の１次巻線数をＮｐ、２次巻線数をＮｓ、ＳＷ周波数をｆ、トランジスタＱ１のオン時間をｔｏｎとした場合、出力電圧Ｖｏは次式（１）により表され、Ｑ１のオン時間ｔｏｎの制御により、出力電圧を安定させている。
Ｖｏ＝Ｖｉｎ・（Ｎｓ／Ｎｐ）・ ｔｏｎ ・ ｆ …（１）

Ｂ部は出力電圧安定化回路（電圧検出部５０）を示している。ＩＣ２（シャントレギュレータ）とＲ１,Ｒ２で分圧設定された設定電圧（Ｖｏ＝Ｖｒｅｆ・（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２）より出力電圧が下がると、その状態はフォトカプラＰＣ１を介してＦＢ（フィードバック）端子に伝えられ、ＦＢ電位は上がる。

制御ＩＣ（ＩＣ１、制御部４０、制御手段）は、ＦＢ電位が上がると、図６に示す乗算器により、ＯＵＴ（出力）端子がＨとなる時間を長くして（即ち、ｔｏｎを広げて）、出力電圧を上げる。これに対し、出力電圧がＶｏより上がった場合、ＦＢ端子電位は下がり、乗算器によりＯＵＴ端子がＨとなる時間を短くして（即ち、ｔｏｎを狭くし）、出力電圧を下げる。

図７〜図９は、制御ＩＣ内部にある発振器の出力、基準電圧ＤＴ、ＦＢ端子電位及びＳＳ（ソフトスタート）端子電位の比較により、乗算器がｔｏｎ制御をする様子を示す説明図である。図８〜図９に示すように、ＳＳ端子は起動時に徐々に電位があがり、発振器出力との比較でｔｏｎを徐々に拡大していき、出力電圧Ｖｏを緩やかに立ち上げる役目をしている。また、起動後は一定の電圧になる。また、外部から短絡された場合（ＳＳ端子短絡）は、乗算器により出力端子の信号はＬとなり、Ｑ１を停止させて出力電圧は０へ向かう。ＳＳ端子の短絡が解除されると制御ＩＣは再び動作を開始する。

また、ＲＥＦ端子は制御ＩＣが動作するための基準電圧であり、制御ＩＣ内部の定電圧回路により一定電圧に保たれる。外部から短絡をすると制御ＩＣは停止し、短絡を解除すると再び動作を始める。

Ａ部は過電圧保護回路部（過電圧検出部６０、停止保護回路３０）を示している。出力電圧がツェナーダイオードＺＤ１（電圧検出手段）のツェナー電圧以上になると、ＺＤ１が導通して電流が流れ、トランジスタＱ２、フォトカプラＰＣ２を介して、制御ＩＣのＯＶＰ端子を充電して電源装置の出力を遮断する。尚、ＯＶＰ端子は、保護機能を保有する端子であり、スレッシュ電圧Ｖｔｈを超えると制御ＩＣは、出力を停止するものである。

ここで、出力電圧Ｖｏが過電圧検出電圧を超えてから制御ＩＣが停止するまでの時間は、ツェナーダイオードＺＤ１が導通してから、トランジスタＱ２がオンし、フォトカプラＰＣ２が動作を始め、ＯＶＰ端子に接続されたコンデンサＣｏｖｐを充電し始めるまでの時間αと、次式（２）で表されるＣｏｖｐの充電時間ｔとの和（α＋ｔ）となり、数ｍｓ〜数十ｍＳを要する。
ｔ＝−Ｃｏｖｐ・Ｒｏｖｐ・ｌｎ（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ） …（２）

図１０は、図４に示した従来の過電圧保護機能付き電源回路を用いた際に起きる出力過電圧発生の状態を示している。出力電圧安定化回路（Ｂ部）を構成する部品の短絡・開放故障や、はんだ不良による帰還系の開放が起きた場合、ＦＢ端子電位は急激に上昇し、乗算器の出力信号はｔｏｎ−ｍａｘとなるため（図７参照）、急激な出力過電圧が発生する。

ここで、出力電圧はＺＤ１のツェナー電圧を超えても、上述のように過電圧保護回路（Ａ部）が機能するまでの時間（数ｍｓ〜数十ｍＳ）は、制御ＩＣは出力停止には至らない。そのため出力電圧は上昇し続け、電源が停止に至るまでにはＺＤ１のツェナー電圧を大きく超える電圧となるという問題がある。

例えば、正常状態で５Ｖ出力の電源装置である場合に、ＺＤ１が６〜７Ｖ程度のツェナーダイオードを搭載していても、１５Ｖ以上の出力電圧となり得、負荷に過大な電圧が印加される。尚、当該電圧値は、出力電圧に接続された負荷が軽いほど大きなものになる。

また、図１１に従来の過電圧保護機能付き電源回路の他の例を示す。図１１に示す過電圧保護回路では、制御ＩＣ（ＩＣ１）の保護機能端子（ＯＶＰ端子）を使わず、停止回路を外部に追加している。即ち、外部にサイリスタＳ１を搭載して、制御ＩＣのＳＳ端子やＲＥＦ端子等を短絡することにより、保護機能を実現するようにしている。

しかしながら、図１１に示す例では、外来ノイズによるサイリスタＳ１の誤動作を防ぐため、Ｓ１のゲート端子にコンデンサを追加しているために、図４に示した回路と同様に、数ｍ〜数十ｍＳのタイムラグが発生することとなり、帰還系故障の際には過電圧を発生するという問題は解消されない。

以下、本発明に係る過電圧保護機能付き電源回路について説明する。図１に、本発明に係る過電圧保護機能付き電源回路の回路図の一例を示す。また、図２に、図１に示す過電圧保護機能付き電源回路のブロック図を示す。また、図３は図１に示す過電圧保護機能付き電源回路において、帰還系開放時に起きる過電圧発生の状態を説明するための図である。

本発明に係る過電圧保護機能付き電源回路は、図２に示すように、整流・平滑部１０、トランス２０、停止保護回路３０、制御部４０、電圧検出部５０、第１過電圧検出部６０、第２過電圧検出部７０及び擬似帰還回路８０からなる。以下、図１を用いて当該回路の詳細を説明する。尚、図４に示した構成と同様の点については、説明を省略する。

Ｃ部は擬似帰還による過電圧防止回路（擬似帰還回路８０、第２過電圧検出部７０、電圧検出部５０）を示している。Ｃ部の２次側（第２過電圧検出部７０）の構成は、Ａ部の過電圧保護回路（第１過電圧検出部６０）と同様であるが、ツェナーダイオードＺＤ２（第２電圧検出手段）のツェナー電圧は、ツェナーダイオードＺＤ１（電圧検出手段）のツェナー電圧よりも若干高く設定する。例えば、ＺＤ１のツェナー電圧が６〜７Ｖの場合、ＺＤ２のツェナー電圧は８Ｖ程度であることが好ましい。

また、Ｃ部の１次側では、フォトカプラＰＣ３の出力側にトランジスタＱ４を接続し、トランジスタＱ４のＣ−Ｅは制御ＩＣ（ＩＣ１、制御部４０、制御手段）のＲＥＦ（基準電圧）端子両端に接続されている。

このように構成することにより、図３に示すように、帰還系が故障した際に発生する出力電圧は、Ｃ部のツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧を基準とする帰還制御を行うことにより、出力電圧がＺＤ２の電圧以上に跳ね上がることを防止し、Ａ部の過電圧保護回路（停止保護回路３０）の動作時間に達すると電源を安全停止する。

即ち、帰還系回路に異常があって、制御ＩＣがｔｏｎを最大まで広げるために出力電圧は上昇すると、ＺＤ１のツェナー電圧に達して、Ａ部の過電圧保護回路によりＯＶＰ端子電位は上昇を始めるが、保護機能が動作するまでの間Ｖｔｈ電位に至らないため、出力電圧は上昇し続ける。出力電圧がＺＤ２のツェナー電圧に達すると、Ｃ部の擬似帰還による過電圧防止回路により制御ＩＣのＲＥＦ端子を接地（ＧＮＤ）端子と短絡させてクランプし、制御ＩＣは出力を停止する。

制御ＩＣの停止後即、出力電圧は下がり、ＺＤ２のツェナー電圧以下になる。このＣ部の擬似帰還による過電圧防止回路はサイリスタのようなラッチアップ機能(状態維持)を持っていないので、出力電圧がＺＤ２のツェナー電圧以下になると制御ＩＣのＲＥＦ端子は開放され、再び制御ＩＣは動作を開始し出力電圧を上昇させる。

この動作を繰り返すことにより、電源装置はあたかもＺＤ２のツェナー電圧で出力するように設計された電源のように振る舞い、出力電圧はＺＤ２のツェナー電圧を保持することができる。このツェナー電圧を保持する時間が、Ａ部の過電圧保護回路が動作する時間に達すると、制御ＩＣの内部保護機能が働いて、電源は出力を遮断して停止に至る。

このように、Ｃ部の擬似帰還による過電圧防止回路は、１次側の制御ＩＣのＯＶＰ機能／ラッチアップ等の保護機能に関わる端子を利用するのではなく、ＲＥＦ端子やＳＳ端子、ＯＵＴ端子等を利用し、ツェナー電圧を基準とした出力電圧で電源が動作するように擬似帰還させ、その状態が一定時間以上続いた場合にのみに停止させるので、帰還系開放のような急激に過電圧が発生するような場合においてもツェナー電圧以上の出力電圧がでることはない。

以上のように、本発明に係る過電圧保護機能付き電源回路、電源装置および電源回路における過電圧保護方法は、電源装置の出力電圧安定化回路の一部が故障した際に発生する過電圧を、追加した過電圧保護回路の電圧検出部（第２過電圧検出部７０）に用いたツェナー電圧以下に抑えることができる。また、ＡＣラインノイズ、落雷等の瞬時の外来ノイズに対して誤動作しても電源停止に至らず、ノイズがなくなれば正常動作を続けることができる。また、本発明に係る電源装置を備えた画像形成装置とすることで、上記効果を有する画像形成装置を提供することができる。

さらに、第１過電圧検出部６０及び第２過電圧検出部７０の双方を備えることにより、いずれか一方の過電圧検出部に何らかの故障が発生し、正常に機能しない状況においても過電圧保護機能を維持することができる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、フォワード・コンバータを例に説明したが、フライバック・コンバータ、ハーフブリッジ・コンバータ、フルブリッジ・コンバータ等の他のコンバータに適用することもできる。

本発明に係る過電圧保護機能付き電源回路の回路図の一例である。 図１に示す過電圧保護機能付き電源回路の回路構成のブロック図である。 過電圧保護機能付き電源回路の過電圧の状態を説明するための図である。 従来の過電圧保護機能付き電源回路の回路図の一例である。 図４に示す過電圧保護機能付き電源回路の回路構成のブロック図である。 乗算器の一例を示す図である。 乗算器がトランジスタＱ１のオン時間ｔｏｎの制御をする様子を示す説明図の一例である。 乗算器がトランジスタＱ１のオン時間ｔｏｎの制御をする様子を示す説明図の他の例である。 乗算器がトランジスタＱ１のオン時間ｔｏｎの制御をする様子を示す説明図の他の例である。 従来の過電圧保護機能付き電源回路における過電圧の状態を説明するための図である。 従来の過電圧保護機能付き電源回路の回路図の他の例である。

符号の説明

１０ 整流・平滑部
２０ トランス
３０ 停止保護回路
４０ 制御部
５０ 電圧検出部
６０ 第１過電圧検出部
７０ 第２過電圧検出部
８０ 擬似帰還回路

Claims (7)

1. 出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出する電圧検出手段と、
   該電圧検出手段により出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出された場合に出力を停止させる制御手段とを備えた過電圧保護機能付き電源回路において、
   さらに、前記電圧検出手段による検出電圧よりも高い出力電圧を検出する第２電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段における検出電圧よりも高い出力電圧状態となった場合に、前記第２電圧検出手段により該制御手段が有する保護機能端子とは異なる端子を用いて擬似帰還をかけて前記第２電圧検出手段における検出電圧で出力電圧をクランプし、出力を停止させる
   ことを特徴とする過電圧保護機能付き電源回路。
2. 前記電圧検出手段及び前記第２電圧検出手段は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護機能付き電源回路。
3. 前記保護機能端子とは異なる端子は、接地端子と短絡させることにより、前記制御手段が発振を停止し、前記接地端子との短絡を開放させることにより、前記制御手段が正常動作に戻る機能を有する端子であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の過電圧保護機能付き電源回路。
4. 前記端子は、基準電圧端子、ソフトスタート端子、出力端子のいずれかの端子であることを特徴とする請求項３に記載の過電圧保護機能付き電源回路。
5. 請求項１から４までのいずれかに記載の過電圧保護機能付き電源回路を有することを特徴とする電源装置。
6. 請求項５に記載の電源装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
7. 出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出する電圧検出手段と、
   該電圧検出手段により出力電圧が設定電圧以上に上昇したことを検出された場合に出力を停止させる制御手段とを備えた電源回路における過電圧保護方法であって、
   前記電源回路は、前記電圧検出手段による検出電圧よりも高い出力電圧を検出する第２電圧検出手段を備えており、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段における検出電圧よりも高い出力電圧状態となった場合に、前記第２電圧検出手段により前記制御手段が有する保護機能端子とは異なる端子を用いて擬似帰還をかけて前記第２電圧検出手段における検出電圧で出力電圧をクランプし、出力を停止させる
   ことを特徴とする電源回路における過電圧保護方法。

Images